1. MOTOR DENEYLERĠNE ĠLĠġKĠN GENEL BĠLGĠ

Transkript

1 1. MOTOR DENEYLERĠNE ĠLĠġKĠN GENEL BĠLGĠ Motor deneyleri genel olarak a) Bir motorun; yapımcı firmanın garanti ettiği karakteristik özellikleri gerçekleyip gerçeklemediğinin kontrolü, b) Motorları gelişme çalışmalarında; çeşitli yapısal (konstrüktif) ve işletme özelliklerinin motor karakteristikleri üzerindeki etkilerinin belirlenmesi, amaçları ile yapılır. Bu amaçlarla; motorların istenen bazı işletme büyüklüklerinin sabit tutulabildiği ve istenen bazı büyüklüklerin değiştirilebildiği bir deney düzeneğine bağlanmaları ve çalıştırılmaları gerekir. Böylece motor çeşitli koşullar altında çalışırken gerekli bilinmeyen büyüklükler ölçülür. Motor deneylerinde genellikle ölçülen büyüklükler; moment, devir sayısı, yakıt debisi, emme avası debisi, soğutma suyu debisi, ortam sıcaklığı ve nemi, eksoz gazlarının sıcaklığı, soğutma suyunun giriş ve çıkış sıcaklıklarıdır. Motor deneyleri sonunda ölçülen bu değerler kullanılarak efektif güç, ortalama efektif basınç, efektif verim, döndürme momenti, özgül yakıt tüketimi, gibi büyüklükler esaplanır ve ölçülen veya esaplanan bu değerlerin (karakteristiklerin) devir sayısına, ava fazlalık katsayısına, güce, değiştirilen yapısal özelliklere (örneğin sıkıştırma oranına) göre değişimleri elde edilir. İstenirse bu sonuçlar eğriler şeklinde de değerlendirilir. Klasik motor deneylerinde genellikle yalnızca yukarıda belirtilen büyüklükler, çeşitli çalışma koşulları için ölçülmektedir. İleri düzeydeki araştırma çalışmalarında bunların dışında motorların aşağıda bazı örnekleri verilen bir çok özellikleri de deneysel yollarla incelenmektedir. a) Ġndikatör diyagramı: Silindir içindeki basınç değişimini gösteren indikatör diyagramı günümüzde elektronik yollarla duyarlı bir şekilde belirlenebilmektedir. Elektronik yöntemle indikatör diyagramının belirlenmesinde, silindir içindeki basınç değişimi bir transducer ile elektrik sinyallerine dönüştürülmekte, daa sonra bu sinyaller bir amplifikatörde yükseltilerek bir bilgisayara aktarılabilmekte veya bir osiloskoba gönderilebilmektedir. Basıncın krank açısına veya silindir acmine göre değişimi osiloskobun ekranında gözlenebilmekte, istenirse fotoğrafı da çekilebilmektedir. Bu yolla çeşitli motor karakteristiklerinde yapılacak değişikliklerin indikatör diyagramı üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenebilmekte, ayrıca indikatör diyagramı ile teorik esaplama yöntemlerinin doğruluk derecesi kontrol edilebilmektedir. 136

2 b) Eksoz gazları: Eksoz gazları çeşitli kimyasal, optik veya değişik yollarla analiz edilerek motor karakteristiklerinin eksoz gazları ve dolayısı ile yanma üzerindeki etkileri incelenebilmektedir. c) Sıcaklık dağılımları: Değişik motor elemanları üzerine yerleştirilen elektronik temelli termometrelerle sıcaklık dağılımının, ısıl yüklerin çeşitli karakteristiklere bağlı olarak nasıl değiştikleri incelenebilmektedir. d) Gaz akıģı olayları: Motorların emme ve eksoz kanallarındaki gaz akışı olayları ve silindir içindeki gaz areketleri; kızgın tel anemometresi veya laser-doppler anemometresi yardımı ile deneysel olarak incelenebilmektedir. Böylece motorların emme ve eksoz donanımlarının ve yanma odalarının geliştirilmesine çalışılmaktadır.. MOTOR DENEYĠ ÇEġĠTLERĠ Motorlar uygulamada çoğunlukla ya taşıtlarda, ya da stasyoner olarak (generatörlerde veya inşaat makinalarında ) kullanılmaktadır. Bu kullanım alanlarına göre motorlardan beklenen özellikler farklı farklıdır. Örneğin; bir taşıt motoru sabit gaz durumunda motor yüküne göre belirli bir alt ve üst devir sayısı aralığında çalışmalı ve bu aralıkta özellikleri bilinmelidir. Öte yandan bir santral motoru; üretilen elektriğin belirli bir frekansta olması için, sabit devir sayısında çalışmalıdır. Motorların bu farklı tür çalışma koşullarına uygun olarak, motor deneyleri de farklı olabilir..1 TaĢıt Motorları Deneyleri Taşıtlarda, motorun ürettiği güç, güç aktarma donanımı (kavrama, dişli kutusu, diferansiyel ve akslar) tarafından tekerleklere iletilir ve taşıtın areketini sağlar. Taşıtların kalkış ve duruşlarında ve çeşitli yol koşularındaki areketlerinde gerekli döndürme momentleri ve devir sayıları farklı farklıdır. Motorun, taşıtın çalışma koşullarına uyum sağlayabilmesi için, değişik gazlarda ve devir sayılarında çalışması gerekir. Bu nedenle taşıt motorları, sabit gaz durumlarında değişik devir sayılarında denenir. Taşıt motorlarının değişik ızlarda denenebilmesi için; tam gaz, 3/4 gaz,1/ gaz, 1/4 gaz gibi istenen gaz durumlarında en düşük ve en yüksek ızların aralığında çalıştırılmaları gerekir. Bu amaçla motor çalıştırıldıktan sonra; bir taraftan gaz arttırılırken,ileride 136

3 açıklanacağı şekilde bir su freni veya generatör aracılığı ile yavaş yavaş yüklenir. Gaz kolu istenen konuma getirildiğinde motor uygun şekilde yüklenerek en düşük devirde kararlı çalışması sağlanır. Bu yük altında motorun devir sayısı en düşük (minimum) devir sayısıdır. Daa sonra yük yavaş yavaş azaltılarak motorun devir sayısının artması sağlanır. Her adımda; devir sayısı, döndürme momenti, gibi motorun istenen karakteristikleri ölçülür. Her ızdaki ölçüm yapılırken motorun en az 1 dakika kararlı olarak çalışması gerekir. Böylece, belirli gaz konumunda, en düşük devirden en yüksek devire kadar motorun karakteristikleri belirlenmiş olur. Benzer işlemler istenirse değişik gaz konumlarında da yinelenir. Ölçülen değerler kullanılarak efektif güç, ortalama efektif basınç, özgül yakıt tüketimi, efektif verim, gibi çeşitli teknik büyüklükler esaplanır. Daa sonra esaplanan bu değerler devir sayısına bağlı olarak eğriler şeklinde veya performans eğrileri biçiminde çizilir.. Stasyoner Motor Deneyleri Elektrik santralleri, şantiye ve inşaatlar gibi alanlarda kullanılan stasyoner motorların yükleri en düşük değerden başlamak üzere yavaş yavaş arttırılır ve er yükleme durumunda gaz ayarlanarak devir sayısının sabit kalması sağlanır. Böylece sabit devir sayısında çeşitli yüklerde motorun karakteristik değerleri belirlenir ve daa sonra gerekli işlemler yapılarak istenen büyüklükler esaplanır. Ölçülen veya esaplanan bu değerler motor gücüne bağlı eğriler şeklinde değerlendirilir..3 Motorların GeliĢtirme Deneyleri Motorları geliştirme çalışmalarında; motor belirli bir gaz konumunda çalışırken sıkıştırma oranı, ateşleme avansı, yakıt-ava oranı, gibi teknik özelliklerden biri değiştirilir. Örneğin er sıkıştırma oranında yükleme ayarlanarak motorun devir sayısının sabit kalması sağlanır. Her adımda gerekli büyüklükler ölçülür. Elde edilen sonuçların değerlendirilmesi ile sıkıştırma oranının motorun çeşitli teknik özelliklerini nasıl etkilediği ve en uygun sıkıştırma oranının ne seçilmesi gerektiği belirlenmiş olur. 3. MOTOR DENEYLERĠNDE ÇEġĠTLĠ BÜYÜKLÜKLERĠN ÖLÇÜLMESĠ Yukarıda genel olarak açıklanan motor deneylerinin gerçeklenebilmesi için üzerinde: 1) Motorun yüklenmesini ve döndürme momentinin ölçülmesini sağlayacak bir yükleme elmanı, 137

4 ) Devir sayısını ölçmeye yarayan bir takometre, 3) Yakıt tüketimini ölçmeyi sağlayan bir ölçekli kap, 4) Hava debisini ölçmeye yarayan bir orifıs veya lüle ve bir sıvılı manometre düzeneği, 5) Soğutma suyunun debisini ölçmeye yarayan bir lüle ve manometre veya rotametre düzeneği, 6) Eksoz gazlarının sıcaklığını ölçmeye yarayan bir termokupl termometre ve göstergesi, 7) Emme avası giriş, soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıklarını ölçmeye yarayan termometre ve göstergeler bulunan bir deney sistemi kullanılmalıdır. Şimdi bu düzenekleri, gerekli büyüklüklerin ölçülmesi ve esaplanması yollarını inceleyelim: 3.1 Yükleme Elemanları ve Momentin Ölçülmesi Motor deneylerinde üretilen gücü yutan ve yüklemeyi sağlayan başlıca iki tür yükleme elemanı kullanılır Generatör ile Yükleme (Elektrik Dinamometresi) Motorun mili bir generatöre bağlanırsa, motorun ürettiği güç elektrik enerjisine çevrilmiş olur. Bu elektrik enerjisi paralel bağlı dirençlerde ısıya dönüştürülerek arcanabilir. Anatarlarla kumanda edilen dirençlerden istenilen kadarı devreye sokularak motorun yükü ayarlanmış olur. Motor ile böyle bir dinamometrenin bağlantısı Şekil 1 ve Şekil de şematik olarak gösterilmiştir. Şekillerde görüldüğü gibi elektrik dinamometresinin rotoru denenecek motorun miline, statoru ise bir dengeleme düzeneğine bağlanmıştır. Dinamometre (generatör) çalışırken, yani elektrik üretirken statorda bir zıt elektromotor kuvvet oluşur ve stator rotorun dönme yönünde dönmek ister. Motorun mekanik gücü veya dinamometreden çekilen elektriksel güç arttıkça, etki eden döndürme momenti de büyür. Demek ki statorda bu şekilde oluşan moment; motor milindeki döndürme momentine eşittir. Dinamometrenin statoruna etki eden bu moment bir dengeleme sistemi ile dengelenebilir ve ölçülebilirse, motorun döndürme momenti belirlenmiş olur. Bu amaçla stator, iki ucundan serbestçe dönmesine olanak sağlayan yataklar üzerine oturtulur. Öte yandan statora etki eden moment, bir ucu moment koluna bağlı ve diğer ucu 138

5 yere sabit olarak tutturulmuş bir yaylı terazi ve moment koluna asılan ağırlıklar tarafından dengelenir. Söz konusu bağlantının şekli Şekil 3b de şematik olarak gösterilmiştir. Şimdi bu şekiller üzerinde motor dururken ve çalışırkenki kuvvet ve momentleri inceleyelim. a) Motor dururken : Generatör Yatak Motor W ġekil 1: Bir motor ve elektrik dinamometresinin bağlanması. Stator Rotor Dirençler W Dengeleme ağırlığı ġekil : Bir elektrik dinamometresi ve yükleme dirençlerinin şematik resmi. Motor dururken döndürme momenti veya ona eşit olarak statora etki eden moment sıfırdır. Bu durumda moment koluna W ağırlığı asılmış ise; terazi yayı, yay katsayısı k olduğuna göre, X W / k kadar uzar. Yaylı terazi W ağırlığına karşı gelen bir rakamı gösterir. Denge durumunda aşağı doğru W ağırlık kuvveti, yukarı doğru kx yayın geri döndürücü kuvveti etki eder. 139

6 Motor çalışırken statora etki eden, motorun döndürme momentine eşit M d momenti yaylı terazinin bağlı olduğu kuvvet kolunu döndürme momentinin büyüklüğüne bağlı olarak yukarı doğru bir miktar areket ettirilir. Bu durumda terazi yayının etki ettirdiği geri döndürücü kuvvet, ibreden S olarak okunur. Denge durumunda sisteme etki eden kuvvetler. aşağı doğru : W ağırlığı, yukarı doğru : S geri döndürücü kuvveti ve statora etki eden M d momentine karşı gelen F kuvveti k. x k M d = 0 S F M d = P. l x W l W l ġekil 3a: Motor dururken statora etki etki eden kuvvetler. ġekil 3b: Motor çalışırken statora etki eden kuvvet ve momentler. olur. Bu kuvvetler arasında W F S bağıntısı yazılabilir. Böylece motorun döndürme momenti, 1 moment kolu uzunluğu olmak üzere F W S M d F. l (3.1) bağıntılarından kolaylıkla esaplanır. Motorun döndürme momenti, motor miline yapıştırılan ve uygun şekilde kalibre edilen strain-gage ( streyngeyç ) ler aracılığı ile de ölçülebilir. 140

7 3.1. Su Freni ile Yükleme Motor deneylerinde yükleme ve moment ölçümü için uygulanan en yaygın yöntemlerden biri de su freni (idrolik fren) dir. Hidrolik frenlerde genellikle sıvı olarak su kullanılır. Su frenleri motor yüküne bağlı olarak çeşitli tiplerde yapılmakta ise de çalışma ilkeleri tümünde aynıdır. Su freni motor miline bağlı olarak dönen özel kanatlı bir rotor ve rotoru çevreleyen, yataklar üzerine oturtulmuş bir statordan oluşur. Statorun iç tarafında da kanatlar olabilir ve statora elektrik dinamometresindeki gibi bir moment ölçme düzeneği eklenir. Şekil 5 te olduğu gibi statorun içi belirli bir düzeye kadar su ile doldurulur. Motor rotoru çevirmeye başladığında, rotorun kanatları suyu dışa doğru fırlatır ve çevrede girdap areketleri yapan bir su tabakası oluşur. Böylece girdap, dönme areketleri ve radyal areketler gibi karmaşık areketler yapan su bir taraftan ısınarak motorun ürettiği mekanik enerjiyi yutarken, öte yandan motorun döndürme momentine eşit bir momentle su freninin statorunu çevirmeye çalışır. Yatak Su freni Motor Stator ġekil 4: Bir su freninin motora bağlanması. 141

8 (A) Su kontrol vanası Stator Gösterge Su girişi (B) (H) M d (I) Transducer (J) Kanatlar Kalibrasyon ağırlığı (C) Rotor (G) Su çıkışı ġekil 5: Bir su freninin ve dinamometrenin şematik resmi. Stator iki ucundan rulmanlı olarak yataklanmıştır ve üzerine etki eden momentin etkisi ile dönmek ister. Statora eklenen yaylı bir ölçme düzeneği ile em statorun dönmesi sınırlanır, em de motorun söz konusu döndürme momentine karşı gelen ve moment koluna etki eden kuvvet ölçülür. Şekil 5 te gösterilen düzenekte I çubuğuna yapıştırılmış ve uygun şekilde kalibre edilmiş transducer ler aracılığı ile döndürme momenti bir göstergeden okunabilir. Deneyden önce J koluna asılan, bilinen ağırlıkların moment etkilerinden yararlanılarak, motor dururken transducer in kalibrasyonu yapılır. Su freninin içindeki su zamanla ısınacağı için sürekli olarak değiştirilmelidir. Frenin içindeki su miktarı arttıkça yutulan enerji de artar. Su girişine yerleştirilen ayarlanabilir bir A vanası ile, su miktarı ve sonuçta motorun yüklenmesi istenilen şekilde ayarlanır. 3. Devir Sayısının Ölçülmesi Dönen makinaların devir sayılarını ölçmek üzere mekanik, optik ve elektronik takometreler kullanılmaktadır. 14

9 3..1 Mekanik Takometreler Mekanik takometrelerde takometrenin mili devir sayısı ölçülecek mile bağlanır. Dönme areketinin yarattığı merkezkaç kuvvetinin etkisi ile, uygun şekilde yaylara bağlanmış dönen kütleler yanlara doğru açılır. Şekil 6 da böyle bir mekanik takometrenin şematik resmi görülmektedir. Devir sayısı arttıkça merkezkaç kuvvetler de artacağından, yukarıda sözü edilen kütlelerin açılma miktarı da artar. Uygun bir mekanizma ile bu areket bir ibreye iletilerek, ibrenin sapma miktarı devir sayısını gösterecek şekilde kalibre edilir. m. R. m. R. ġekil 6: Mekanik bir takometrenin şematik resmi 3.. Optik Takometreler Optik yolla devir sayısı ölçümü, gözün 1/0s den daa kısa aralıkları olan olaylardaki süreksizliği fark edememesi özelliğine dayanır. Belirli aralıklarla ışık veren bir kaynak, üzerinde özel bir işaret bulunan dönen bir parçayı aydınlatsın. Dönen parçanın devir sayısına karşı gelen frekans ile ışık kaynağının çakma (ışık verme) frekansı eşit olduğunda, dönen cisim duruyormuş gibi görünür. Işık veren stroboskop un çakma frekansı değiştirilebilsin ve bir göstergede okunabilsin. Bir cisim erangi bir devirde dönerken stroboskop un çakma frekansı değiştirilerek, cisim duruyormuş gibi gözüktüğündeki frekans belirlenir. Bu durumda cismin dönme frekansı ve stroboskop un çakma frekansı birbirine eşittir. Buradan, stroboskop göstergesinden okunacak frekansa karşı gelen devir sayısı kolaylıkla bulunabilir. 143

10 3..3 Elektrikli Takometreler Bir DC (doğru akım) veya AC (alternatif akım) generatörünün ürettiği elektrik akımının gerilimi devir sayısına bağlıdır. Bir generatör, devir sayısı değiştirilebilen ve başka bir ölçü ciazı ile ölçülebilen bir mile bağlansın. Çeşitli devir sayılarında generatörün çıkış gerilimi bir voltmetreden okunursa ve bu gerilimlere karşı gelen devir sayıları başka bir takometreden ölçülürse, generatör-voltmetre çifti kalibre edilmiş olur. Daa sonra aynı generatör, devir sayısı bilinmeyen dönen bir mile bağlandığında, kalibre edilmiş voltmetreden doğrudan doğruya devir sayısı ölçülebilir. Motor deney düzeneklerinde genellikle bu tür elektrikli takometreler kullanılır. 3.3 Yakıt Tüketiminin Ölçülmesi Bir motorun birim zamanda (örneğin 1 saatte) arcadığı yakıtın kütlesi B [ kg / ] olarak bilinirse,özgül yakıt tüketimi; B Kg yakıt be N (3.) KWsaat e bağıntısından bulunabilir. Bu amaçla motorun yakıt donanımına eklenen ölçekli bir kaptaki yakıtın kaç saniyede 3 arcandığı bir kronometre ile ölçülür. Örneğin v[ cm ] yakıt t[s] de arcanmışsa, 1 saat te motorun tüketeceği yakıtın kütlesi, B 3 v t yak ı t kg yakıt saat (3.3) olur. Yakıt yoğunluğu olarak, Dizel yakıtı için : 0,81gr / cm 3 0,81 kg lt y akıt / Benzin için : 0,735 gr / cm 3 0,735 kg lt y akıt / 144

11 d alınabilir. Motorun 1 saat te tükettiği yakıt böylelikle bulunduktan sonra özgül yakıt tüketimi (3.) bağıntısından esaplanır. Son zamanlarda motor deney düzeneklerinde yakıt tüketimini ağırlık esasına göre ölçmeyi sağlayan sistemler de kullanılmaktadır. 3.4 Hava Debisinin Ölçülmesi Motor deneylerinde ava fazlalık katsayısının esaplanabilmesi için motorun emdiği avanın debisi bilinmelidir. Motor düzeneklerinde emme avasının debisi, genellikle, emme sistemine eklenen bir orifis ve manometre sistemi ile ölçümlüktedir. Bu amaçla kullanılan deney düzeneği Şekil 7 de şematik olarak verilmiştir. Bir iş periyodunun yalnızca bir strokunda emme yapıldığından, özellikle tek silindirli dört zamanlı motorlarda emilen avanın akımında süreksizlikler, titreşimler görülür. Bu titreşimlerin etkisini azaltmak için motorun emme sistemine büyük bir ava deposu eklenir. Hava bu depoya keskin kenarlı bir orifisten geçerek girer. Orifisin çapı, deney motorunun er türlü çalışma koşullarına uygun ava gereksinimini karşılayacak şekilde seçilmelidir. Orifisteki basınç düşüşünü ölçmek üzere orifis girişine bir manometre bağlanır. Böylece orifisteki basınç düşüşü eğik manometrede yükseklik değişimi olarak okunur. Buradan, Bernoulli kanunu uygulanarak orifisten geçen avanın ızı esaplanabilir. Orifis girişindeki ava basıncı P 1, ava ızı v 1 ve ava deposu tarafındaki ava basıncı P, ava ızı v ise, Bernoulli kanunundan v ava ız ; Hava deposu P 1 P 1 P, Filitre v ava Orifis Hava girişi P 1, v 1 Motora l sıvı ġekil 7: Emme avasının debisini ölçmek için bir orifis-eğik manometre düzeneği 145

12 P1 v 1 1 g. H 1 P v g. H 1 ava : ortam koşullarında avanın yoğunluğu, H1 H P : açık ava basıncı, 1 P 0 v 1 0 P 1 P v v P1 P (3.4) şeklinde elde edilir. Orifisteki (P 1 P ) basınç düşüşü bir eğik borulu sıvılı manometre aracılığı ile belirlenebilir. Şekilde görüldüğü gibi manometrenin bir ucu ava deposuna, eğik ucu da ortam avasına açılmaktadır. Manometrenin ava deposuna bağlanan bölümünün kesiti, eğik bölümünün kesitine göre çok büyük yapılır. Motor çalışırken manometrenin ava deposu tarafına P, eğik tarafının ucuna P 1 =P 0 ortam basıncı etki eder. (P 1 P ) basınç farkı nedeni ile eğik uçtaki sıvı aşağı doğru areket eder. Manometrenin diğer kolu çok büyük kesitli yapıldığından, eğik kolda yükseklik değişimi görüldüğünde diğer kolda 0 yükseklik değişimi olur. Çünkü,. A A 1. 1 A 1 1 A A A olduğundan alınabilir. Demek ki basınç farkı için P1 P. s ıvı. g yazılabilir. Burada 146

13 sıvı : eğik manometredeki sıvının yoğunluğunu, g : yerçekimi ivmesini göstermektedir. Manometrenin eğik kolunun yatayla yaptığı açı sapması l ise, ve eğik uçtaki sıvının l. sin a P P l.. g. sin a (3.5) 1 sıvı elde edilir. Uygulamada kullanılan eğik manometrelerde, manometrenin eğik kolu üzerine eklenen uygun ölçekli bir cetvelden l.sııv. g. sin a çarpımı doğrudan doğruya mmss olarak okunur. Böylece bu tür manometrelerde okunacak sapma P basınç farkını 1 P mmss (mm su sütunu) olarak verir. Fakat bu durumda manometreye üzerinde yazılı yoğunluktaki bir sıvı (genellikle renkli ispirto) doldurulmalıdır. Eğer farklı yoğunlukta bir sıvı kullanılırsa sıvı sıvı mmss (3.6) alınmalıdır. Burada sıvı : manometreye konulan sıvının yoğunluğu sıvı : manometrenin ölçeklendirildiği sıvının yoğunluğu (manometrenin üzerinde yazılı olur) dur. Buradan, uygun birimler kullanılarak emilen avanın v ızı v g su m / s su 1000 kg/ m kg/ m 3 3 şeklinde elde edilir. Orifisin çapı d m ise ve Reynolds sayısına bağlı bir C D orifis katsayısı da göz önüne alınırsa orifisten geçen, yani motorun emdiği avanın debisi, 147

14 m v. C D. A O. m C D 3. d..10. su. g... 4 su = 1000 kg/m 3 C = 0,6 D m. d 0, g. olur. m,0873. d.. kg s (3.7) / ava yoğunluğu dış ortam koşullarına bağlıdır. Dış ortamda basınç P 0 [mmhg], sıcaklık T K ise, gazların genel denkleminden P 0 V0 m RT0 J R 8314,34 Kmol K 8314,34 8,97 J kg. K R 87 J kg. K m P 0 (3.8) V0 R.T0 P , T ,81 yazılır. Örneğin P T ,5 mmhg K ise 148

15 y 3 77,5.13,6.10.9,81 1, kg/ m 3 elde edilir. 3.5 Soğutma Suyu Debisinin Ölçülmesi Su soğutmalı motor deneylerinde soğutma suyunun debisi, ya ava debisinde olduğu gibi bir orifis-manometre düzeneği ile, veya bir rotametre aracılığı ile ölçülür. Rotametre; içinden debisi ölçülecek olan sıvının aktığı, düşey konik bir silindir ve silindir içinde areket edebilen bir topaçtan oluşur. Şekil 8 de görüldüğü gibi silindirin kesiti aşağıya doğru küçülür. Su akımı yokken, sudan daa ağır bir maddeden (genellikle demirden) yapılmış olan topaç en alt konumda bulunur. Alttan yukarıya doğru sıvı akımı başladığında topaç, su direnci tarafından yukarı doğru areket ettirilir. Fakat yukarı doğru çıktıkça, topaç ile silindir arasındaki geçiş kesiti artacağından sıvının ızı ve buna bağlı olarak uyguladığı direnç azalır. Sonunda topaç belli bir konumda dengede kalır. Sıvının debisi ne kadar fazla ise topaç o kadar yukarı çıkar. Sonuç olarak topacın yükselme miktarı sıvının debisinin bir ölçütü olarak kullanılabilir. d Topaç um Fd Fk Konik boru W t Soğutma suyu akışı D ġekil 8: Bir rotametrenin kesiti. 149

16 Belirli bir akım durumunda topaca; yukarı doğru sıvının direnç kuvveti ve kaldırma kuvveti, aşağı doğru ise topacın ağırlık kuvveti etki eder. Denge oluştuğunda; F. V. g. V g (3.9) d s t t t. yazılabilir. Burada sıvının topaca uyguladığı direnç kuvveti F d 1 CD. At. s. um (3.10) dir. Ayrıca s V t t C D A t u m : sıvının yoğunluğu, : topacın acmi, : topaç malzemesinin yoğunluğu, : topacın direnç katsayısı, : topacın sıvı akımına dik en büyük kesit alanı ve : topaç ile silindir arasındaki akımın ortalama ızı dır. Yukarıdaki (3.9) denge bağıntısından direnç kuvveti çekilerek (3.10) ifadesinde yerine yazılır ve gerekli düzenlemeler yapılırsa, ortalama akımın ızı; u m g. Vt t.. 1 CD At s olur. Bu durumda topaç ile silindir arasından u m ızı ile geçen sıvının debisi m u m. A. s şeklinde kolaylıkla bulunabilir. Burada A 4 D a. y d α : silindirin konikliğine bağlı bir katsayı A D 4. D. a. y a y d 150

17 D d çok küçük olduğundan, D a y d 0 alınabilir. Böylece A. D. a. y 4 m s. D. a. y.. g. Vt. C D. d 4 s. t 1 s c 1 8 g. Vt. D. a.. C. d D sabit kg s m s c1. y. s t s / (3.11) bağıntısı bulunur. Buradan görüldüğü gibi, rotametreden geçen sıvının debisi, topacın y yükselme miktarı ile yaklaşık olarak doğru orantılıdır. Rotametre yapımcıları debiyi, y [cm] yükselmesine bağlı olarak doğrudan doğruya veren kalibrasyon eğrileri verirler. Motor deneylerinde de m s soğutma suyu debisi, topacın okunan yükselme miktarından, bu tür kalibrasyon eğrisi kullanılarak bulunmaktadır. Böyle bir kalibrasyon eğrisi Şekil 9 da gösterilmiştir. 4. TEK SĠLĠNDĠRLĠ, DEĞĠġKEN SIKIġTIRMA ORANLI MOTOR DENEY DÜZENEĞĠ Burada örnek olarak, K.T.Ü. Makine laboratuarı Motor Deney lerinde kullanılan Teckuipment firmasının üretmiş olduğu, Tek silindirli, Değişken Sıkıştırma Oranlı Motor Deney Düzeneği tanıtılacaktır. Deney düzeneğinin şematik resmi Şekil 10 da görülmektedir. Deney düzeneğinin ve ana elemanlarının genel özellikleri aşağıda kısaca sıralanmıştır. 4.1 Motor Deney motorunun kafası değiştirilerek benzin veya dizel motoru olarak çalışması sağlanabilmektedir. Ayrıca motor kafasında bulunan vidalı silindirik bir parçanın çevrilerek 151

18 Rotametre topacının yükselmesi y [ cm ] Su debisi m s [ lt/dak ] ġekil 9: Bir rotametrenin kalibrasyon eğrisi. 15

19 ġekil 10: Deney düzeneğinin genel görünüşü. 153

20 yanma odasına sokulup çıkarılması sonunda sıkıştırma oranı (7,5 4,5) aralığında ayarlanabilmektedir. Deney motoru tek silindirli, dört zamanlı ve su soğutmalıdır. Sıkıştırma oranı iken (dizel motoru durumunda) 1800 d / dak da 6,6 KW ( 9 BG ) güç üretebilmektedir. Silindir çapı 90 mm, strok uzunluğu 10 mm ve strok acmi 763,4 cm 3 ( = 0,763 lt )dir. Dönme yönü, volan tarafından bakıldığında saat ibrelerinin tersi yönündedir. Motor, benzin motoru olarak çalıştırılmak istendiğinde emme sistemine bir karbüratör eklenmekte ve manyetolu bir ateşleme düzeneği kullanılmaktadır. Motor, dizel motoru olarak çalıştırıldığında ise yakıt bir püskürtme pompası ile enjektöre gönderilmektedir. Motorun ilk areketinde volan ve diğer areketli elemanların kolaylıkla kinetik enerji kazanabilmeleri için bir dekompresyon kolu kullanılmaktadır. Dekompresyon kolu ileriye itilip tutulduğunda eksoz subabı sürekli açık kalır, sıkıştırma yapılmaz.böylece ilk arekette motorun kolaylıkla ızlanması sağlanmış olur. 4. Elektrik Dinamometresi Motor miline bağlı bir elektrik makinası; yapılan kumandaya bağlı olarak deneyin başlangıcında marş motoru, daa sonra ise motoru yüklemeye yarayan generatör görevini yapmaktadır. Söz konusu elektrik makinası, marş motoru olarak çalıştığında gerekli doğru akım şebekedeki alternatif akımın bir redresör tarafından doğru akıma çevrilmesi ile sağlanır. Ateşleme başladıktan, yani motor çalıştıktan sonra kumanda anatarı generatör konumuna getirilerek elektrik makinasının bir generatör olarak görev yapması sağlanır. 3. bölümde açıklandığı gibi; generatör çıkışına bağlı bir dizi direncin devreye sokulup çıkartılması ile motor istenilen şekilde yüklenir. Ayrıca generatörün statoruna bağlı olan yaylı terazi ve ağırlık düzeneği aracılığı ile motorun milindeki döndürme momenti belirlenir. 4.3 Ölçü Aletleri ve Kumanda Panosu Ölçü aletleri ve kumanda panosu ava, yakıt, su ve eksoz ile ilgili ölçü göstergelerini ve kumanda elemanlarını bulundurur. Ölçü ciazları 3. bölümde ayrıntılı şekilde açıklanmış olan ölçme işlemlerini gerçekleştirir. Söz konusu ölçü ve kumanda ciazları şunlardır. Yakıt tüketimini belirlemeye yarayan ölçekli, şeffaf bir kap, Soğutma suyu debisini belirlemeye yarayan rotametre, Soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları termometrelerinin göstergeleri, 154

21 Eksoz sıcaklığı termometresinin göstergesi, Generatörün ürettiği elektrik akımının gerilim ve şiddetini gösteren bir voltmetre ve ampermetre, Dışarıdan sağlanan elektrik akınının gerilimini gösteren bir voltmetre, Motora dizel yakıtı, benzin veya süper benzin göndermeyi sağlayan yakıt valfleri, Gaz kolu, Elektrik makinasını motor veya generatör olarak çalıştırmayı sağlayan kumanda anatarı, Motoru yükleyen dirençleri devreye sokup çıkarmaya yarayan anatarlar. Motoru yüklemeyi sağlayan direnç telleri motor kumanda panosunun arkasında bulunmaktadır. 5. DENEY DÜZENEĞĠNĠN ÇALIġTIRILMASI Deney düzeneğinin çalıştırılması ve deney süresince yapılacak başlıca işlemler aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1) Deney motoru çalıştırılmadan önce yağlama yağı ve soğutma suyu kontrol edilir. Eksiklik varsa giderilir. Ayrıca yakıt valfi açılarak ölçekli kabın yakıtla dolması sağlanır. ) Değişken sıkıştırma oranı düzeneği aracılığı ile sıkıştırma oranı belirli bir değere ayarlanır. Sıkıştırma oranı, benzin motoru olarak çalıştırmada (7,5 11,5) aralığında, dizel motoru olarak çalıştırmada (14 4) aralığında seçilir. 3) Şebekeden elektrik akımının gelmesini sağlayan ana şalter ve bu alternatif akımı doğru akıma çevirmeyi sağlayan redresörün şalteri kapatılır. 4) Elektrik dinamometresinin kumanda anatarı Off tan Motor konumuna çevrilir. Böylece elektrik dinamometresi marş motoru olarak görev yapar ve motoru çevirmeye başlar. Bu işlem yapılırken başlangıçta dekompresyon kolu ileri doğru itilerek tutulur ve böylece sıkıştırma olmadan motorun kolayca ız kazanması sağlanır. 5) Motor ızlanıp yaklaşık 00 d / dak ızına ulaştıktan sonra dekompresyon kolu bırakılır. Gaz kolu yarım gaz konumuna getirilir. Bu anda ateşleme veya püskürtme başlar ve motor çalışır duruma geçer. 6) Motor çalışmaya başlayınca kumanda anatarı önce Motor dan Off konumuna ve daa sonra Generatör konumuna çevrilir. Böylece çalışmakta 155

22 yani güç üretmekte olan motor generatörü çevirmiş ve motorun ürettiği mekanik enerji generatörde elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur. 7) Daa önceden de açıklandığı gibi, generatörün ürettiği elektrik enerjisi kumanda panosunun arkasında bulunan ve panodaki bir dizi anatarla devreye sokulup çıkarılabilen elektrik dirençlerinde ısıya dönüştürülerek arcanır. Panodaki anatarlar uygun şekilde kapatılarak ve gaz kolu ayarlanarak motorun devir sayısı ve yüklenmesi istenildiği gibi değiştirilir. Burada deney türüne göre uygun ayarlama yapılmalıdır. a) Sabit gaz durumunda deney (TaĢıt motorları deneyi): Devreye daa fazla direnç sokulursa motorun yüklenmesi artacağından devir sayısı düşer, veya tersine olarak başlangıçta motor tam yüklenir, yani ilk ölçümler en düşük devir sayısında yapılır. Daa sonra dirençler aşama aşama devreden çıkarılarak motorun yükü azaltılır ve devir sayısının artması sağlanır. b) Sabit devir sayısında deney (Stasyoner motor deneyi): Motor boşta çalışırken gaz kolu ayarlanarak istenilen devire gelmesi sağlanır. Daa sonra motor biraz yüklenir ve gaz da, devir sayısını baştaki değere getirecek şekilde biraz arttırılır. Bu işlem yükleme adım adım arttırılarak tekrarlanır ve er durumda devir sayısının sabit kalması sağlanarak gerekli ölçümler alınır. Böylece motorun sabit devir sayısında değişik yükleme durumlarında denenmesi gerçeklenir. c) Motor geliģtirme deneyleri: Geliştirme deneyi yapılıyorsa sabit gaz durumunda motorun incelenecek olan teknik özelliğinin (örneğin sıkıştırma oranının) çeşitli değerleri için yükleme durumu ayarlanarak devir sayısının sabit kalması sağlanır. Bu yolla değişik sıkıştırma oranlarında ve sabit devir sayısında çeşitli büyüklükler deneysel olarak belirlenir. 8) Motor deneyi süresince ölçülecek büyüklükler: Genel olarak açıklanan ölçümlerin tümü yukarıda tanıtılan deney düzeneğinde yapılabilmektedir. Deneyin er adımında ölçülecek büyüklükler aşağıdaki gibi sıralanabilir: 156

23 a. Elektrik dinamometresine bağlı yaylı teraziden S [N] kuvveti ve teraziye asılan W [N] ağırlığı, b. Δ v [cm 3 ] yakıtın Δ t [s] arcanma süresi, c. Rotametrenin y [cm] yükselmesi, d. Eğik manometredeki sıvının Δ [mm] sapması, e. Soğutma suyunun t g [ o C], t ç [ o C] giriş, çıkış sıcaklıkları, f. Eksoz gazlarının t e [ o C] sıcaklığı, g. Direnç tellerindeki akımın V, I gerilim ve şiddeti,. Motorun n [d / dak] devir sayısı. 6. DENEY SONUNDA HESAPLARIN YAPILMASI Deney süresince er adımda yukarıdaki büyüklükler ölçüldükten sonra, gerektiğinde kalibrasyon eğrileri de kullanılarak, motorun çeşitli karakteristikleri aşağıdaki gibi belirlenebilir: 1) Döndürme Momenti ( M d [N.m] ) : Elektrik dinamometresine bağlı yaylı teraziden S [N] kuvveti okunduktan sonra, teraziye asılı W [N] ağırlığı da bilindiğine göre, bu duruma karşı gelen döndürme momenti (3.1) bağıntısından M d F. l şeklinde esaplanabilir. Burada; F W S ve kullanılan deney düzeneğindeki moment kolu uzunluğu dir. l 0, 3 m efektif güç ) Efektif Güç ( N e [KW] ) : n [d / dak] devir sayısı ve M d [N.m] döndürme momenti bu şekilde bilindiğine göre, 157

24 N e,1 M d. w 1000 KW 0, M. w BG d. n w 30 1 s bağıntısından bulunur. Motor deneyinin yapıldığı P 0, T 0 dış ortam koşulları ve avanın nemi motor performansını etkileyebilir. Farklı koşullarda yapılan motor deneylerinin sonuçlarının birbiriyle sağlıklı biçimde karşılaştırılabilmesi için standart koşullara dönüştürülmeleri ve nem açısından düzeltilmeleri gerekir. Standart atmosfer koşulları : 0 o C ; 1, Pa Deney yapılırkenki koşullar : P 0 [MPa] ; T 0 [ o K] olduğuna göre, deney sonunda belirlenen N e,1 efektif gücü, benzin motorları için 0,1013 T N e, N e,1.., P 93 dizel motorları için 0 N e, N e,1 0,1013 T.. P 93 0 bağıntısı kullanılarak standart koşullara düzeltilebilir. Ayrıca deney yapılırkenki bağıl nem w b ve kuru termometre sıcaklığı t k veya; kuru ve yaş termometre sıcaklıkları t k ve t y şeklinde ölçülmüşse, Şekil 11 de verilen eğri kullanılarak x nem nem düzeltme katsayısı belirlenebilir. Böylece standart koşullara dönüştürülmüş ve nem düzeltmesi uygulanmış efektif güç olur. N N. x e, e, nem 3) Ortalama Efektif Basınç ( P me [MPa] ) : Efektif güç, devir sayısı ve motorun diğer özellikleri bilindiğine göre; N e P me. V H k.60. Z. n bağıntısı kullanılarak ve 158

25 V H Z = 1 k = = 763,4 [cm 3 ] = 0,7634 [lt] alınarak, P 10 0, me. N n e P me 157,1915. N n e MPa dan esaplanır. 4) Özgül Yakıt Tüketimi ( b e [kg yakıt / KW. saat] ) : Δ v [cm 3 ] yakıtın Δ t [s] arcanma süresi bilindiğine göre, saatlik toplam yakıt tüketimi (3.3) bağıntısından B 3 v y akıt kg yakıt / saat t şeklinde esaplanır ve buradan özgül yakıt tüketimi b e B N e olarak bulunur. 159

26 Xnem t = Kuru termometre sıcaklığı tv = YaĢ termometre sıcaklığı ω = Özgül nem φ = Bağıl nem = Entalpi v = m 3 /kg kuru avanın özgül acmi Psikrometrik Diyagram ( Basınç 101,3 kpa = 1013 m bar = 760 mm Hg ) ġekil 11: Motor deneylerinde x nem nem düzeltme katsayısı. 160

27 yakıt tüketimi 5) Efektif Verim ( η e ) : Özgül yakıt tüketimi ile efektif verim arasındaki bilinen bağıntı kullanılarak, özgül e 3600 H.b u e Benzin için : H u = [ kj / kg ] Dizel yakıt için : H u = 4440 [ kj / kg ] den esaplanır. 6) Hava Fazlalık Katsayısı ( α ) : Motora emilen avanın debisi, eğik manometredeki yükseklik değişimi Δ [mmss] olarak okunduktan sonra, deney anındaki ortam sıcaklığı ve basıncı T 0 [K] ve P 0 [mmhg] olarak bir termometre ve bir barometreden ölçülürse; (3.7) ve (3.8) bağıntılarından m,0873. d.. ava kg/ s ava P0.13,6.9, T 0 kg/ m 3 esaplanır. Kullanılan deney düzeneğindeki orifisin çapı d = 0, 5 [m] ve eğik manometredeki sıvının yoğunluğu 0,784 gr / cm 3 olarak belirtilmiştir. Manometreye doldurulan renkli ispirtonun yoğunluğu da ölçülmüş ve aynı değerde çıkmıştır. Bir saatte arcanan toplam yakıt B olarak bilindiğine göre ava fazlalık katsayısı min kg ava/ saat m. kgava kg yakıt / saat B kg yakıt m B 161

28 Benzin için Dizel yakıt için bağıntısından bulunur. : min = 14,957 [kg ava / kg yakıt] : min = 14,45 [kg ava / kg yakıt] 7) Soğutma Suyuna Giden Isı Oranı ( Q su / Q yakıt ) : Soğutma suyunun debisi m su, rotametrenin y [cm] yükselmesine bağlı olarak kalibrasyon eğrisinden [lt / dak] cinsinden bulunduktan sonra, soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları ilgili termometreden okunduğuna göre, soğutma suyuna giden ısı Q m C Q su s su s s m 1 su. s. Cs. t ç t g J / dak 3 gr / cm 1 kg/ lt lt / dak 4, m. s KJ / kg. K t t J / saat ç g bağıntısından bulunur. Buna karşılık 1 saatte B [kg/] yakıtın yanması sonunda arcanan ısı Qy akıt Be. Hu J / saat tir. Böylece soğutma suyuna giden ısı oranı Q su / Q yakıt şeklinde kolaylıkla esaplanabilir. 8) Elektriksel Güç ( N el [W] ) : Direnç tellerinde arcanan akımın gerilim ve şiddeti ile ilgili voltmetre ve ampermetreden okunduğuna göre, güç çarpanı ile elektriksel verim bir arada %80 alınarak, motorun efektif gücüne karşılık gelen elektriksel güç N el V. I.0, 80 bağıntısından bulunur. 1 Watt = 0, BG olduğuna göre, efektif güç, kontrol için buradan W N e 0,80. V. I.0, şeklinde de esaplanabilir. BG 16

29 KAYNAKLAR 1. ÖZ, İ. Hakkı, Kuvvet Makinalarında Ölçü Tekniği, İ.T.Ü., , Motor laboratuarı Notları, İ.T.Ü., Makina Fakültesi, Motorlar Kürsüsü, , Te Tecquipment Variable Compression Engine Test Rig, Tecquipment Limited, Nottingam. 4. FOSS, P. W., Mini Engine Test Rigs and Instrumentation, Tecquipment Limited, Nottingam, COLLET, C. V., A. D. HOPE, Engineering Measurements, Pitman Boks Limited, Massacusetts, Second Edition, HOLMAN, J. P., Experimental Metods for Engineers, Mc Graw-Hill, Kogakusa Ltd., , Automotive Handbook, Ed. U. ADLER, Robert Bosc GmbH, Stuttgart, HEYWOOD, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc Graw-Hill, PUNT, M. ve MARTYR, A., Engine Testing, Teory and Practice, Butterwort,

30 EK 1: Deney yapılırken ölçülen değerlerin ve daa sonra yapılan esapların sonuçlarının deney türüne göre aşağıdaki gibi tablolardan birine doldurulması, karışıklığı önlemek ve gerekli eğrilerin kolayca çizilmesini sağlamak için yararlıdır. 1. Sabit gaz durumunda deney ( TaĢıt motorlatı deneyi ) : Ortam sıcaklığı T 0 = Ortam basıncı P 0 = Sıkıştırma oranı ε = Ateşleme avansı A.A. = Yakıt cinsi : Gaz kolu konumu : n [d/dak] n 1 = n = n 3 = n 4 = n 5 = W [N] S [N] F [N] Δ t [s] y [cm] [mm] t g [ o C] t ç [ o C] t e [ o C] V [N] I [A] 164

31 n [d/dak] n 1 = n = n 3 = n 4 = n 5 = M d [N.m] N e [KW] N e [BG] P me [MPa] B [kgy/] b e [kgy/kw.] η e m [kg/s] α m su [lt/dak] Q su [KJ/] Q y [KJ/] Q su / Q y N el [W] N el [BG]. Sabit devir sayısında deney ( Stasyoner motor deneyi ) : Ortam sıcaklığı T 0 = Ortam basıncı P 0 = Sıkıştırma oranı ε = Ateşleme avansı A.A. = Yakıt cinsi : Devir sayısı n = Deney No W [N] S [N] 165

32 3. Motor geliģtirme deneyi : Ortam sıcaklığı T 0 = Ortam basıncı P 0 = Sıkıştırma oranı ε = Ateşleme avansı A.A. = Yakıt cinsi : Devir sayısı n = Gaz kolu konumu : Değiştirilen Tekn. özellik W [N] S [N] EK : Deneyde ölçülen değerler ve esap sonuçları, deney türüne göre aşağıdaki gibi çeşitli eğriler şeklinde değerlendirilebilir. değişimleri, 1. TaĢıt motorları deneyi : M d, N e, P me, b e, η e, α, Q su / Q 1 gibi karakteristiklerin devir sayısına göre. Stasyoner motor deneyi : M d, N e, P me, b e, η e, α, Q su / Q 1 yüzdesine göre değişimleri, gibi karakteristiklerin % (Güç / Tam güç) 3. GeliĢtirme deneyleri : M d, N e, P me, b e, η e, α, Q su / Q 1 gibi karakteristiklerin değiştirilen teknik özelliğe (örneğin sıkıştırma oranına) bağlı değişimleri. 4. Performans eğrileri (Yumurta eğrileri) : Motorların değişik gaz ve devirlerdeki karakteristiklerini göstermek üzere, çeşitli gazlarda elde edilen deney sonuçları kullanılarak ve yatay eksende devir sayısı (veya ortalama 166

33 piston ızı), düşey eksende ortalama efektif basınç alınarak sabit özgül yakıt tüketimi eğrileri çizilebilir. Bu tür eğrilere iç içe çizilmiş aritalardaki eş yükselti eğrilerine benzediklerinden ve genellikle oval yapıda olduklarından performans eğrileri (performans aritaları) veya yumurta eğrileri diye de adlandırılırlar. EK 3: Makina Laboratuvarı Motor Deneyi sonunda azırlanacak deney raporunda aşağıdaki bilgilerin bulunması istenmektedir: 1. Deneyin amacı, yapılışı ve türüne ilişkin kısa bilgi,. Ölçülen ve esaplanan değerlerin doldurulmuş olduğu tablolar, 3. Her deney için ayrıntılı birer esap örneği, 4. Her deney için deney türüne göre uygun eğriler, 5. Elde edilen deney sonuçlarının (eğrilerin) neden-sonuç ilişkisini de göz önüne alarak yorumlanması. 167